水工混凝土高速水流空蝕破壞機(jī)制試驗(yàn)研究

王 新，李 媛

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

空化空蝕一直是水利水電工程中普遍存在但尚未完全解決的技術(shù)難題。龍羊峽和二灘的泄洪洞、新安江和豐滿大壩的挑流鼻坎、前蘇聯(lián)薩揚(yáng)水電站消力池底板等均發(fā)生嚴(yán)重的空蝕破壞[1，2]，影響工程的正常安全運(yùn)行。關(guān)于高速水流空化空蝕問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作，但由于空化氣泡潰滅速度很快、研究難度極大，到目前為止，對(duì)于空蝕破壞的機(jī)理依然沒有定論，存在微射流、沖擊波、熱化學(xué)等多種理論[3]。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)材料的空化空蝕試驗(yàn)一直是研究的熱點(diǎn)，長(zhǎng)期的研究形成了多種空化空蝕試驗(yàn)方法，主要包括縮放型空化空蝕發(fā)生器、高速水射流空化、超聲振動(dòng)空化、旋轉(zhuǎn)圓盤空化、激光空化、電火花空化等[4，5]。其中，縮放型空化空蝕發(fā)生器是水工混凝土抗沖磨防空化試驗(yàn)規(guī)范方法，該試驗(yàn)裝置復(fù)雜，試驗(yàn)難度較大[6]，但最能真實(shí)反映工程實(shí)際空化空蝕現(xiàn)象，不過水射流空化方法噴嘴斷面細(xì)小，射流速度很大，超過100 m/s，材料破壞機(jī)理仍需探討。除了縮放型空化空蝕發(fā)生裝置外，其他方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，研究報(bào)道相對(duì)較多，尤其超聲空化，但多生成單個(gè)空泡，研究其潰滅空蝕過程[7]，偏于微觀，不能復(fù)演實(shí)際工程中的空化空蝕破壞現(xiàn)象。

隨著我國(guó)西部地區(qū)一批300 m級(jí)高壩陸續(xù)開工建設(shè)，水工混凝土結(jié)構(gòu)空蝕破壞問題更加突出[8]，同時(shí)在空化荷載與混凝土材料空蝕破壞相關(guān)性方面研究很少，開展水工混凝土材料空蝕破壞機(jī)理研究依然具有重要意義。本文采用高速水流Venturi空化空蝕系統(tǒng)，測(cè)試不同空化條件下空泡潰滅區(qū)沖擊荷載特性，同時(shí)進(jìn)行水工混凝土試件空蝕破壞試驗(yàn)，綜合分析探討混凝土空蝕破壞機(jī)制。

表1 試件混凝土配合比

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通常采用Venturi空化空蝕發(fā)生器開展混凝土材料空蝕破壞試驗(yàn)，如圖1所示，上游高壓水流在試驗(yàn)段最窄的喉口斷面達(dá)到最大流速和最低壓力，在喉口處發(fā)生空化，空化泡隨主流到達(dá)下游擴(kuò)散段，因邊界分離和壓力升高，在頂部邊界即試件表面及附近潰滅，造成混凝土表面發(fā)生空蝕破壞。裝置試驗(yàn)段為100 mm等寬的流道切片，喉口高10 mm，斷面尺寸為100 mm×10 mm(寬×高)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，進(jìn)口壓力可達(dá)150 m水頭，喉口斷面流速可達(dá)50 m/s以上，滿足不同空化條件試驗(yàn)。為測(cè)試作用于試件表面的空化荷載，制作有機(jī)玻璃試件，并在試件縱向中心線上等間距對(duì)稱布置5個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，編號(hào)P1～P5，如圖2所示。選用大量程壓力傳感器，傳感器的感應(yīng)面為直徑2 mm的圓形，然后將有機(jī)玻璃試件安裝于試驗(yàn)裝置內(nèi)并密封，即可進(jìn)行空化作用荷載試驗(yàn)。

圖1 混凝土材料空蝕試驗(yàn)

圖2 空化荷載測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

為研究在所測(cè)定荷載條件下水工混凝土材料的空蝕破壞特性，根據(jù)裝置要求，制作了高性能抗蝕混凝土試件，其配合比見表1。在試件養(yǎng)護(hù)到96 d齡期，進(jìn)行空蝕破壞試驗(yàn)研究，為分析試件的空蝕破壞進(jìn)程，每小時(shí)取出試件稱重一次，計(jì)算蝕損率，并拍照觀察試件表面的空蝕破壞特征。

2 空化作用荷載與空蝕破壞

2.1 空化荷載

空化空蝕發(fā)生裝置的空化作用與上下游壓力密切相關(guān)，上游壓力影響喉口位置的流速和壓力，決定了空化條件，下游壓力影響空化氣泡群潰滅作用的位置。以上游壓力Pu為300 kPa、喉口流速Vt為25 m/s工況為例，下游壓力Pd分別為30、60、100 kPa，考察作用于試件表面的壓力特性。從試驗(yàn)裝置側(cè)面的有機(jī)玻璃可以看出，三種工況下，喉口均發(fā)生較強(qiáng)空化，但受下游壓力影響，空化氣泡群集中潰滅的位置有所差異。當(dāng)下游壓力為30 kPa時(shí)，下游壓力較低，空泡隨水流擴(kuò)散較遠(yuǎn)，作用于試件表面大部分范圍內(nèi)；當(dāng)下游壓力為60 kPa時(shí)，下游壓力增大，空泡潰滅區(qū)域向上游壓縮，集中于試件中間位置潰滅；當(dāng)進(jìn)一步增大下游壓力至100 kPa時(shí)，空泡潰滅區(qū)繼續(xù)向上游壓縮，集中于試件的前端。不同下游壓力條件下，試件表面部分測(cè)點(diǎn)荷載如圖3所示。

圖3 不同壓力條件下試件表面的空化荷載

圖4 不同空化條件下混凝土試件空蝕破壞形貌

從圖3可以看出，空化泡群在試件表面潰滅，產(chǎn)生非恒定的沖擊型荷載，實(shí)測(cè)荷載在1 000 kPa內(nèi)。實(shí)測(cè)荷載變化規(guī)律與空化泡流態(tài)吻合，當(dāng)下游壓力為30 kPa時(shí)，試件表面空泡沖擊范圍較大，除P1測(cè)點(diǎn)外，其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)均有明顯的沖擊荷載作用，最下游的P5測(cè)點(diǎn)作用相對(duì)較強(qiáng)，1s內(nèi)約受到30次沖擊作用；當(dāng)下游壓力增大為60 kPa時(shí)，空化泡潰滅區(qū)上移，集中于試件中間P3測(cè)點(diǎn)附近，該測(cè)點(diǎn) 1 s 內(nèi)約受到50次沖擊作用；當(dāng)下游壓力增大至100 kPa時(shí)，空化泡群潰滅作用區(qū)集中至P2測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)1 s內(nèi)約受到80次沖擊作用。從作用荷載看，脈沖荷載幅值較大，約為400～800 kPa，實(shí)測(cè)相對(duì)較大的持續(xù)性非恒定高頻脈沖荷載是混凝土空蝕破壞的主要原因，材料發(fā)生疲勞破壞的可能性較大。

2.2 不同空化荷載作用下混凝土空蝕破壞特性

在上述3種空化試驗(yàn)條件下，對(duì)制作的混凝土試件進(jìn)行空蝕破壞試驗(yàn)，其中，試件養(yǎng)護(hù)至96 d。試驗(yàn)過程中，每小時(shí)取出試件稱重并觀察空蝕破壞情況，每塊試件試驗(yàn)均累計(jì)20 h。三種不同條件下試件表面空蝕形貌對(duì)比見圖4，每張照片尺寸為15 cm×9 cm(長(zhǎng)×寬)，從左向右為順?biāo)鞣较?。從圖4可以看出，在空化荷載作用下，試件表面出現(xiàn)了不同位置和不同程度的空蝕破壞。當(dāng)下游壓力為30 kPa時(shí)，試件表面未出現(xiàn)較大的空蝕破壞，空蝕破壞主要發(fā)生于試件的最下游，空化泡作用范圍較大但破壞較弱；當(dāng)下游壓力為60 kPa時(shí)，在試件的正中間小范圍內(nèi)發(fā)生了明顯的空蝕破壞，在三種條件中空蝕破壞作用最強(qiáng)；當(dāng)下游壓力為100 kPa時(shí)，試件也發(fā)生了較明顯的空蝕破壞，空蝕位置前移?？傮w上看，空蝕破壞位置與荷載分布特性非常吻合，空蝕破壞區(qū)域相對(duì)集中。

不同下游壓力條件下，混凝土試件的空蝕質(zhì)量損失對(duì)比見圖5。在試驗(yàn)的20 h內(nèi)，混凝土試件空蝕質(zhì)量損失不斷增加，隨作用時(shí)間的增大，蝕損量增幅呈逐漸減弱趨勢(shì)；對(duì)于三種空化作用條件，混凝土試件的質(zhì)量損失存在一定的差異，空化泡作用于試件中間的空蝕破壞最強(qiáng)，質(zhì)量損失最大；空化泡作用于近端和遠(yuǎn)端的破壞較弱，質(zhì)量損失較小，相對(duì)而言，作用于遠(yuǎn)端的空蝕破壞最弱?？梢姡瘴g破壞不僅與空化發(fā)生有關(guān)，同時(shí)受下游壓力條件影響較大。

圖5 混凝土蝕損量對(duì)比

圖6 混凝土表面空蝕破壞發(fā)展過程

圖7 混凝土表面空蝕破壞面積

3 空蝕破壞進(jìn)程與特征

以Pu=300 kPa、Pd=60 kPa工況為例，0～10 h空蝕試驗(yàn)過程，每2 h試件表面空蝕破壞形貌變化見圖6，蝕損區(qū)域發(fā)展見圖7，從圖6可清楚看出混凝土材料空蝕破壞的發(fā)展及破壞特征。對(duì)于平整的混凝土表面，在空蝕沖擊荷載作用下，首先發(fā)生破壞的是表層水泥漿，表面存在局部缺陷、強(qiáng)度較低的位置率先出現(xiàn)小的圓形蝕坑，小的蝕坑較多且分布隨機(jī)；隨著空蝕作用的累積，表層水泥漿持續(xù)破壞，小的蝕坑逐漸增加，已破壞的蝕坑不斷擴(kuò)大，蝕坑之間破壞連通；伴隨著水泥漿的破壞，表面逐漸呈現(xiàn)多種大小不同形狀孔洞構(gòu)成的砂漿骨架；在空蝕沖擊荷載的進(jìn)一步作用下，細(xì)骨料砂粒開始被剝離，蝕坑面積和深度同時(shí)增大，多個(gè)蝕坑之間不斷合并連通，粗骨料逐漸外露；空蝕作用一段時(shí)間后，其主作用區(qū)混凝土表面形成了一個(gè)大的蝕坑，在空蝕荷載繼續(xù)作用下，蝕坑在表面上向四周不斷擴(kuò)展，在深度上向內(nèi)部不斷掏蝕。

通過觀察可知，空蝕是從水泥漿到細(xì)骨料再到粗骨料的緩慢破壞過程，是空蝕作用力大于材料的粘聚力而造成的蝕損?；炷帘砻婷軐?shí)度、孔隙缺陷等影響較大，存在缺陷位置的水泥漿率先破壞，水泥漿不斷被剝蝕后，砂粒細(xì)骨料外漏；在砂粒周圍的水泥漿被不斷剝蝕的過程中，砂粒與周圍的粘聚力逐漸減小，直至小于空蝕的沖擊荷載，砂粒被剝蝕；在水泥砂漿不斷被剝蝕后，粗骨料外露，隨著粗骨料周圍的水泥砂漿逐漸被剝蝕，粗骨料外露面積逐漸增大，其粘聚力逐漸減小，直至小于空蝕沖擊荷載，粗骨料被整體剝蝕?；炷量瘴g表現(xiàn)為材料的脆性破壞，對(duì)于混凝土骨料本身，由于強(qiáng)度較大，一般不會(huì)出現(xiàn)空蝕破壞，破壞主要發(fā)生在骨料的交界面上，表現(xiàn)為骨料的整體剝離。從混凝土材料的空蝕機(jī)制看，增大骨料之間的粘聚力、提高混凝土表面的密實(shí)度、減少缺陷等均有助于提高混凝土材料的抗空蝕性能。

圖8為混凝土表面空蝕破壞面積的增長(zhǎng)過程，空蝕破壞經(jīng)歷初期表面小的蝕坑及不斷擴(kuò)大階段、多個(gè)蝕坑連通表面加速破壞階段、大的空蝕區(qū)域邊界穩(wěn)定擴(kuò)展階段3個(gè)階段，與圖6和圖7表面空蝕破壞發(fā)展過程相對(duì)應(yīng)。

圖8 空蝕面積變化過程

4 結(jié) 語(yǔ)

利用高速高壓Venturi空化空蝕發(fā)生裝置，開展了混凝土材料高速水流1∶1空蝕試驗(yàn)研究，探討了空化泡潰滅區(qū)水動(dòng)力荷載特性及影響因素、不同空化荷載作用下混凝土材料的破壞特征及空蝕破壞發(fā)展進(jìn)程，主要結(jié)論如下：

(1)空化泡群潰滅在混凝土壁面產(chǎn)生高頻、持續(xù)、非恒定的脈沖荷載，試驗(yàn)條件下實(shí)測(cè)主作用區(qū)荷載幅值約為400～800 kPa，混凝土材料發(fā)生疲勞破壞可能性較大。

(2)混凝土材料空蝕破壞經(jīng)歷表面水泥漿到細(xì)骨料再到粗骨料逐漸發(fā)展的過程，表現(xiàn)為各種成分之間的脆性剝離，各成分間的粘結(jié)強(qiáng)度是混凝土抗空蝕性能的主要影響因素；從空蝕形貌及蝕損面積看，空蝕過程可分為初期表面小的蝕坑并不斷擴(kuò)大、多個(gè)蝕坑連通加速破壞、大的空蝕區(qū)域邊界穩(wěn)定擴(kuò)展三個(gè)階段。